Proizvođači mikrokontrolera sa A/D ulazima nude i drugo rešenje, primenom sistema prekida. Pored busy signala, A/D blok poseduje i mogućnost generisanja signala prekida. Ovaj signal se generiše po završetku poslednje A/D konverzije i na taj način se obaveštava CPU da je podatak spreman. Ovo rešenje je složenije, ali mnogo optimalnije.

 Da bi se ovo rešenje primenilo, prekid sa A/D konvertora se mora dozvoliti i mora se napisati odgovarajuća prekidna rutina za preuzimanje rezultata.

Slika br.1 Dva načina sinhronizacije CPU i A/D sistema

Primeri mašinskog programa za dva načina sinhronizacije CPU i A/D sistema

1. pulling porta

U ovom slučaju postoji samo glavni program:

setb AD_BIT_START                         ; Procesor inicira AD konverziju
wait_validAD: jnb AD_BIT_BUSY,wait_validAD       ; Čeka da padne BUSY
mov Rezultat, AD_data                     ; uzima rezultat

 (Ovaj prg. radi ali možda treba ukinuti signal AD_BIT_START da se ne ponovi A/D konverzija).

 Dosta jednostavna realizacija (ne koristi se prekid i program se linearno izvršava u vremenu).Ali, gubi se vreme. Koristi se kad ionako nemamo šta da radimo ili kad vreme za rad nije kritično..Još primitivnija varijanta programa bi bila bez korišćenja BUSY signala. Umesto druge linije pišemo poziv na podprogram za fiksno vreme čekanja.

 Icall DELAY_AD        ; čeka neko vreme za koje je siguran da će AD da odradi

2. prekid AD konvertora

 U glavnom programu se samo inicira AD konverzija:

setb AD_BIT_START ; Procesor inicira AD konverziju glavni program dalje ne gubi vreme, radi nešto drugo.

 U prekidnoj rutini (prekid_AD) se preuzima rezultat:

prekid_AD: mov Rezultat, AD_data    ; uzme rezultat
setb stigao_noviAD                      ; obaveštava da glavni prg. zna da je podatak spreman
reti                                                 ; povratak iz prekida

Sample & Hold kolo ADC sa metodom sukcesivnih aproksimacija

 Da bi se pravilno izvršilo odabiranje signala koriste se sample& hold (S&H) kola. S&H kolo odabira signal (uzima odbirak) dovoljno brzo i drži ga dovoljno dugo (naboj kondenzatora) da se izvrši analogno-digitalna konverzija u samom ADC. S&H kolo se sadrži od kontrolisanog analognog prekidača i kondenzatora. Dok je prekidač zatvoren, kondenzator se puni na vrednost signala (sample process), kada se prekidač otvori, kondenzator zadržava (hold) odabrani nivo signala do sledećeg otvaranja. Kada je sample proces završen, dolazi do hold režima rada. Ako se signal u međuvremenu promeni, ta promena neće biti uočena. Vrlo je bitno odabrati periodu odabiranja (Ts) takvu da ne postoje značajne spektralne komponente signala koji želimo čitati na učestanostima većim od Niquistove učestanosti za tu periodu – 1/(2Ts).

Slika br.2 Prikaz S&H procesa

 Mikrokontroler namenjen pogonima uobičajeno nema samo jedno, već više S&H kola. Ovo je veoma značajno u sistemima sa obaveznim simultanim odabiranjem dva ili više signala. Na primer, ukoliko imamo dve LEM sonde za čitanje struje motora, smeštene u dve faze motora, neophodno je njhove signale čitati istovremeno jer je samo tada moguće rekonstuisati struju treće faze. Ukoliko bi klasično izvršili odabiranje jednog po jednog kanala ne bi dobili rezultate u istom vremenskom trenutku (za N-tu veličinu bi odbirak zakasnio za prvom za N TADC). Zato je važno da u istom željenom trenutku sačuvamo sve analogne signale (S&H kolima) i zatim jedan po jedan obrađujemo u A/D konvertoru i prevodimo u digitalne reči. A/D konvertor će i dalje raditi sporo i signali se ne obrađuju u isto vreme, ali su odabrani u istom vremenskom trenutku. Bez S&H na svakom analognom ulazu ovo bi bilo nemoguće.

 Uobičajen kompromis pri izradi mikrokontrolera je A/D koji poseduje dva S&H kola.

Ulazni analogni multiplekser u sklopu bloka za A/D konverziju

 U digitalno regulisanom uređaju je uobičajeno potrebno meriti više analogoih veličina, kao na primer par struja, napona, temperatura, razne analogne reference, stvarna brzina, itd. Radi uštede u mikrokontroler se ugrađuje samo jedan A/D konvertor koji je povezan sa više analognih ulaznih pinova preko analognog multipleksera.

 Osnovni dizajn softvera za rad sa A/D konvertorom ostaje isti, jedino je neophodno pre startovanja A/D konverzije selektovati željeni analogni kanal. Uštede sa ovakvom konfiguracijom (novčane i dimenzionalne) su velike a ograničenja minimalna jer obično i uzimamo jedan po jedan kanal a ne sve istovremeno. Ipak, u slučaju kritične brzine odabiranja, treba uvek uzeti u obzir da je vreme obrade u slučaju N kanala N puta veće nego u konfiguraciji sa N AD konvertora!! Ovaj problem se delimično umanjuje korišćenje sample&hold kola.

 Moderni DSP uobičajeno poseduju dva ADC, svaki sa pridruženim S&H kolom i svojim analognim multiplekserom 8/1. Ovim se dobijaju 16 potencijalnih analognih ulaza, od kojih se po dva mogu čitati simultano (u istom trenutku).

The post Načini sinronizacije rada A/D konvertora i CPU u okviru mikrokontrolera appeared first on Automatika.rs.

 A/D konvertor unutar mikrokontrolera se uglavnom dizajnira tako da vrši konverziju signala u naponskom opsegu jednakom naponu napajanja samog mikrokontrolera. Opseg od , na primer 0 – 5 V, se pretvara u digitalnu reč sa n-bita, gde je n uobičajeno broj 8, 10, 12. Veći broj n donosi manji kvantni nivo. Kvantni nivo je jednak najmanjem priraštaju analognog signala koji A/D može detektovati tj. to je vrednost LSB u izlaznoj digitalnoj reči. Uvećanje broja n donosi bolju rezoluciju i preciznost, ali uvećava cenu mikrokontrolera. Iskustvo pokazuje da je n=10 (rezultat u opsegu Vmin → 0 Vmax →1023) dovoljno za merenje u većini pogona i industijskih procesa.

 U elektromotornom pogonu se mnogi proračuni moraju vršiti u realnom vremenu tako da je vreme A/D konverzije jednog signala veoma bitan podatak. Vreme jedne konverzije ADC modernog DSP oko 200 ns, u slučaju više sukcesivnih konverzija sledeća traje samo 80 ns. Vreme konverzije ADC u tipičnog mikrokontrolera je reda veličine 1 µs.

 Postoje dva osnovna tipa A/D konvertora:

• Flash A/D konvertori: Konverzija je izuzetnog brza jer za svako stanje postoji odgovarajući komparator. Za Flash A/D treba puno hardvera, tako da su jako skupi. Često su brži i od samog procesora. Inicira se AD konverzija i u sledećoj naredbi rezultat je već spreman. Zbog cene se uglavnom se ne ugrađuju ni u mikroprocesore ni u DSP.
• A/D konvertor sa metodom sukcesivnih aproksimacija. Više se koristi pošto se izgrađuju sa manje hardwera pa su pristupačnije cene. Rade postepeno, odlučuju za svaki bit rezultata posebno, bit po bit, počevši od MSB. Rade na osnovu internog clock signala, zahtevaju dodatno S&H kolo da se nivo signala ne promeni tokom konverzije. Način konverzije ih čini relativno su sporim ali ta brzina (čak i ispod 100 ns za konverziju) je sasvim dovoljna za većinu primena. Mikrokontroler je uglavnom brži od A/D konverzije, tako da koristi handshake signali (signali rukovanja) kao što su START CONVERSION i BUSY (ili prekid) da bi se sinhronizovao rad CPU sa A/D konvertorom.

 Tipična primena A/D sa metodom sukcesivnih aproksimacija u sklopu mikrokontrolera

 A/D konvertor sa metodom sukcesivnih aproksimacija ne može trenutno da izvrši konverziju signala. Ovaj A/D konvetor u svakom ciklusu internog clock signala odlučuje o jednom bitu rezultata, za 10-bitni konvertor treba barem 10 clock ciklusa. Ovaj tip A/D konvertora zahteva na svom ulazu dodatno sample&hold kolo (S&H- odabirač i zadržač signala) na čijem se izlazu zadržava isti nivo signala tokom konverzije. Sa strane CPU, takoñe je neophodna dodatna logika koja sinhronizuje rad CPU i sporijeg A/D konvertora. CPU definiše trenutak starta A/D konverzije (signal START), ali kraj iste signalizira sam A/D konvertor (signal BUSY ili mehanizam prekida).

  Radi dalje uštede pri izradi mikrokontrolera, koja rezultuje u nižoj ceni, uglavnom se ugrađuje samo jedan A/D konvertor u mikrokontroler. Merenje (A/D konverzija) više analognih ulaza se omogućuje primenom analognom multipleksera, koji u odgovarajućem trenutku prosleđuje izabrani analogni signal ka jedinom A/D konvertoru. Postoje jeftinije varijante ovog sistema sa jednim S&H kolom na ulazu A/D konvertora, i više, na svakom analognom ulazu po jedno S&H kolo. Druga varijanta je skuplja ali omogućuje istovremeno odabiranje više veličina (veoma važno!).

 Na sledećoj slici br.1 je prikazan blok dijagram tipičnog sistema za A/D konverziju. Pored samog A/D konvertora, prikazano je i S/H kolo, signala za sinhronizaciju rada CPU i A/D, kao i analogni multiplekser.

Slika 1 Tipičan blok u sklopu mikrokontrolera za A/D konverziju više analognim ulaza

Na slici br.2 je prikazan algoritam rada sa prikazanim sistemom za A/D konverziju.

Slika br.2 Tipičan algoritam rada sa A/D sistemom

The post Analogno/digitalni konvertor – A/D konvertor appeared first on Automatika.rs.